29 notions-clefs : les matériaux

Auteurs : Travail collectif(plus d'infos)
Résumé :
Le présent chapitre est consacré aux solides et plus particulièrement, parmi eux, à ceux qui jouent un rôle significatif dans l’évolution de nos civilisations et de nos sociétés, que l’on appelle souvent les matériaux. On retrouve là, pêle-mêle, des substances aussi différentes que le bois, le béton, le verre, l’acier, les roches… Document de Yves Quéré issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
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Publié avec l'aimable autorisation des éditions Le Pommier.

 

La matière qui nous entoure peut se présenter – suivant la température et/ou la pression – sous trois formes (on dit plutôt états) distinctes: les solides présentent une certaine dureté et conservent en général leur forme (le bois, une pierre, la glace…); les liquides se répandent dans le récipient qui leur est affecté et prennent la forme de celui-ci (l’eau, l’essence, l’huile…); les gaz sont le plus souvent invisibles, impalpables, mais ils se manifestent à nous par leurs effets (l’air, par le vent; le gaz carbonique, par ses bulles dans le champagne…).
Nous savons, au moins dans le cas de l’eau, que la matière est souvent susceptible de passer d’un état à l’autre: la glace, solide, fond à 0°C et devient de l’eau; celle-ci, liquide, bout à 100°C et devient de la vapeur d’eau, qui est un gaz. Dans ces trois formes, il s’agit toujours de la même matière, l’eau. Celle-ci est constituée d’une myriade de petits grains élémentaires, les molécules, toutes identiques, mais disposées différemment dans les trois cas précédents. La molécule d’eau (en chimie: H2O) est elle-même un regroupement de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Il y a, dans un petit verre d’eau, environ dix milliards de milliards de millions de ces molécules, tassées les unes contre les autres. Pour prendre ici une image, si nous faisons jouer à un grain de sable le rôle d’une molécule d’eau, alors, sur la plage, un seau de sable, fluide, nous donnera l’image de l’eau (liquide); un bloc de sable collé, celle de la glace (solide); une poignée de sable jetée en l’air et dispersée, celle de la vapeur (gaz). Dans ces trois cas, le grain de sable (la molécule) est toujours le même.
Le présent chapitre est consacré aux solides et plus particulièrement, parmi eux, à ceux qui jouent un rôle significatif dans l’évolution de nos civilisations et de nos sociétés, que l’on appelle souvent les matériaux. On retrouve là, pêle-mêle, des substances aussi différentes que le bois, le béton, le verre, l’acier, les roches… C’est dire qu’il n’est pas question de décrire ici l’ensemble des matériaux dans leur diversité.
L’objectif est plutôt de saisir ce qu’ils ont en commun et de comprendre certaines de leurs propriétés parmi celles qui nous sont – souvent journellement – familières. De ce point de vue, nous commencerons par décrire les plus manifestes des propriétés macroscopiques (vision à grande échelle, la nôtre) des matériaux, c’est-à-dire celles qui sont accessibles à nos sens ou à des expériences très rudimentaires. Puis nous en donnerons une vision plus explicative, dite microscopique dans la mesure où elle mettra en scène les constituants ultimes de la matière que sont notamment les molécules, les atomes et les électrons.

Description macroscopique

L’ordre choisi ici pour lister les plus notables des propriétés des matériaux correspond approximativement à celui où elles sont apparues à l’homme: l’âge de pierre, l’âge de la terre cuite, l’âge du bronze…

La dureté

Les matériaux sont en général perçus comme durs. En fait, ils le sont plus ou moins, avec des différences très grandes de l’un à l’autre. Entre une pierre du bord du chemin et une réglette en plastique, l’enfant saura sans doute d’instinct faire le classement. Peut-être saura-t-il même imaginer comment le «prouver», c’est-à-dire réinventer le test de la rayure, test qui permet de classer deux matériaux entre eux, le plus dur étant celui qui raye l’autre et n’est pas rayé par lui.

La fragilité

Certains matériaux se brisent à la moindre sollicitation : on les dit « fragiles », tandis que d’autres peuvent être manipulés tant et plus sans se casser. La fragilité, qui est souvent un inconvénient (bris des vitres, rupture de câbles…), a été utilisée positivement, pendant des centaines de millénaires, pour obtenir lors de la taille des silex des formes variées. Le silex est en effet un matériau qui, frappé, se casse sans se déformer.
Il existe une certaine corrélation entre fragilité et dureté, les matériaux durs, comme les roches ou le verre, étant fréquemment fragiles.
On se méfiera ici d’une ambiguïté lexicale fréquente chez les enfants pour qui, au contraire, dureté s’opposerait à fragilité, les matériaux durs étant dans leur esprit ceux qui ne sont pas fragiles.

Les transformations réversibles

Il est courant d’assister à des modifications, parfois profondes, de certains matériaux soumis à certaines conditions (ou contraintes). Si la transformation disparaît lorsque la contrainte disparaît, on dit qu’elle est « réversible ».

L’élasticité
C’est un bon exemple de transformation réversible. Si l’on exerce une force sur un matériau, il tend à se déformer dans le sens de la force. Tant que celle-ci demeure relativement modérée, le matériau peut reprendre sa forme initiale, une fois la force supprimée. Vraie à l’évidence pour un «élastique» en caoutchouc, cette propriété est générale. On peut l’observer dans le cas d’une branche d’arbre (ou d’un tronc) qui «ploie» dans le vent, d’une tringle de rideau qui se courbe sous le poids du tissu…

Les enfants mesureront l’allongement élastique d’un ruban de caoutchouc (de un ou deux décimètres de longueur). Placé devant une réglette graduée en millimètres, et chargé de poids successifs croissants, le ruban s’allonge. Le graphe de l’allongement en fonction du poids – c’est-à-dire de la force appliquée – montre que le premier est proportionnel au second. On s’assurera que le ruban reprend sa longueur initiale lorsque les poids sont retirés et qu’il y a donc bien réversibilité mécanique.

La fusion
Comme la solidification d’un solide, la fusion constitue un autre exemple de transformation réversible. À une certaine température (appelée parfois point de fusion), un solide se transforme en liquide. Ici, on observe un changement d’état de la substance bien que sa nature chimique reste la même. D’autres propriétés sont également modifiées lors de cette transformation: le volume, parfois la couleur…

On pourra mettre deux ou trois glaçons dans un verre, peser le tout, et laisser la glace fondre (éventuellement en chauffant légèrement le verre). En plongeant un thermomètre dans le mélange eau-glace, on observera que la température demeure constante (malgré la chaleur apportée) jusqu’à fusion de toute la glace. On refera alors une pesée et l’on s’assurera que la masse de l’eau est la même que celle de la glace qui lui a donné naissance. Si l’on dispose d’un congélateur, on y placera le verre et son eau et l’on constatera que, après un certain temps, toute l’eau a redonné naissance à de la glace (phénomène de solidification), dont la masse est à nouveau la même. Puis on pourra faire fondre à nouveau cette glace…: réversibilité du phénomène de fusion. Il y a aussi réversibilité dans le phénomène inverse de solidification.
Il conviendra de souligner que si la masse est conservée, lors de la fusion ou de la solidification, il n’en est pas de même du volume: à masse égale, la glace occupe un volume un peu supérieur à celui de l’eau liquide.

La dilatation thermique
Voilà un autre exemple de transformation réversible. En effet, si l’on chauffe un matériau, son volume (donc aussi sa longueur, et l’on parle alors de « dilatation linéaire ») tend très généralement à augmenter: on dit qu’il se dilate. Mais si on le refroidit et qu’on le ramène à sa température initiale, il reprend son volume (ou sa longueur) initial(e). L’amplitude de la dilatation thermique variant beaucoup d’un corps à un autre, on la définit par le coefficient de dilatation linéaire qui est la variation relative de longueur par degré Celsius d’échauffement. Ce coefficient est couramment de l’ordre de 10-5 par °C. Ainsi, la tour Eiffel, en passant de -10°C à +20°C, s’allonge de 10-5 × 30 en valeur relative, soit donc de 300 × 30 × 10-5 (puisqu’elle mesure 300 m), soit finalement de 9 cm en valeur absolue.

En regardant, au travers d’un verre noir, le filament d’une ampoule au moment où l’on allume celle-ci, les enfants constateront que le filament, fixe à ses deux extrémités, se courbe – donc qu’il s’allonge – sous l’effet de la chaleur, tandis qu’il reprend sa forme, donc sa longueur initiale, lorsqu’on éteint l’ampoule. Les liquides se dilatent aussi : on observera la colonne liquide d’un thermomètre (à mercure ou à alcool) lorsqu’on le chauffe.

Les transformations irréversibles

Ce sont celles qui affectent d’une manière définitive les propriétés des matériaux. Elles ne donnent donc pas lieu à un possible retour spontané à l’état initial. Nous en distinguerons trois, d’importance capitale pour l’utilisation pratique des matériaux.

Les transformations thermiques
Elles se produisent lorsque le matériau est soumis à un traitement thermique, généralement de haute température (on pensera à l’art du potier). Un bon exemple est la cuisson des argiles, qui transforme un matériau mou et plastique en un solide (la terre cuite) dur et généralement cassant.
Ce qui se produit sous l’effet de la température est une modification chimique de l’argile, due principalement à une perte de molécules d’eau incluses dans l’argile de départ. Cette modification peut aussi avoir lieu sous l’effet de la pression (éventuellement conjugué avec celui de la température).

De petits objets en argile ou en pâte à modeler seront cuits dans un four pour mettre en évidence le durcissement. On fera remarquer que les tuiles, de très longue date, sont fabriquées ainsi, la chaleur du Soleil suffisant parfois pour obtenir un matériau de qualité médiocre, mais utilisable.

Les transformations mécaniques
Elles ont fortement marqué l’histoire des civilisations (on pensera ici à l’art du forgeron). Après la taille du silex, après l’introduction de la poterie, la grande découverte, pour la mise en forme des matériaux, a été que l’on peut modifier la forme des métaux et des alliages métalliques, grâce à leur grande malléabilité, en exerçant sur eux des efforts mécaniques, autrement dit des forces (âge de bronze et âge de fer).
La plus ancienne, probablement, des méthodes utilisées est le martelage, qui consiste à frapper un métal avec une masse. Celui-ci se déforme alors (généralement sans se casser, contrairement au silex) au gré des coups reçus. La déformation est plus facile et plus sûre si l’on chauffe la pièce, ce que, traditionnellement, fait le forgeron. Actuellement, on ne compte plus le nombre de procédés industriels de mise en forme des métaux: par laminage entre deux rouleaux on en fait des plaques ou des tôles; par tréfilage au travers de filières (trous percés dans un matériau très dur) on en fait des fils; par emboutissage et étirage, on en fait des récipients (casseroles, canettes…), par forgeage, à l’aide de presses très puissantes, on donne une forme préétablie à un lingot (fabrication des roues de wagons…).
On a remarqué très tôt que la déformation s’accompagnait généralement d’un durcissement du matériau. Ainsi, en frappant le métal, le forgeron lui donne la forme voulue, et dans le même temps lui confère plus de dureté, ou de rigidité: on dit alors de ce métal qu’il est « écroui ».

Les enfants observeront la malléabilité des métaux en tordant, ou en pliant des échantillons métalliques (fil de fer, «papier» d’aluminium, trombone de papeterie…) qui changent de forme sans casser et restent déformés lorsque l’effort est relâché.

Les transformations chimiques
Chacun sait bien que la matière qui nous entoure se modifie d’«elle-même» au cours du temps: le fer rouille, l’argent noircit, les plastiques durcissent, le papier se fragilise, le bois pourrit… Beaucoup de ces altérations sont en fait dues à l’action (chimique) d’un agent extérieur (oxygène, eau, soufre…) qui, en contact avec le matériau, finit par pénétrer en lui et le modifier «à l’intérieur», parfois radicalement. Cette pénétration s’appelle la diffusion (voir pp. 186-187) et le phénomène d’agression prend souvent (notamment dans le cas des métaux) le nom de corrosion.
À titre d’exemple, du fer mis en présence d’oxygène (notamment celui de l’air) absorbe cet oxygène par diffusion et se transforme en un oxyde de fer, substance différente du fer par l’aspect (les oxydes de fer sont de couleur brun rougeâtre), par la tenue mécanique (ils sont friables et pulvérulents), par la conductibilité (ils sont à la fois mauvais conducteurs de la chaleur et isolants électriques) et, bien sûr, par la composition chimique (les principaux oxydes ayant les compositions FeO, Fe2O3 et Fe3O4).

On disposera du fer (fil, clous…) dans une coupelle que l’on pèsera soigneusement. On laissera ce fer rouiller à l’air (en atmosphère humide, ce sera plus rapide). On pèsera régulièrement la coupelle et l’on constatera que la masse augmente, jusqu’à une valeur limite correspondant à l’oxydation totale. L’augmentation de masse correspond à la fixation d’oxygène par le fer.

La conduction thermique

Si l’on verse de l’eau chaude dans un bol (ou dans un pot), la température de la paroi extérieure du bol s’échauffe progressivement et tend vers celle de l’eau. Nous sommes amenés à penser qu’une partie de la chaleur, incluse dans l’eau et fournie par elle, s’est propagée dans le matériau du bol de l’intérieur vers l’extérieur : le matériau a «conduit» de la chaleur: cette propriété s’appelle la conduction thermique. Elle se caractérise par une grandeur, la conductibilité thermique, très variable d’un matériau à un autre.

L’expérience précédente réalisée successivement avec trois pots, l’un en faïence, l’autre en acier inox, l’autre enfin en argent, d’épaisseurs identiques (ou comparables) montre que les conductibilités sont fort différentes: la chaleur est mieux (ou beaucoup plus vite) conduite dans l’argent que dans l’inox, et dans l’inox que dans la faïence. On en déduit donc que la conductibilité thermique de l’argent est supérieure à celle de l’inox, qui est supérieure à celle de la faïence.
Cette différence entre les conductibilités thermiques se manifeste dans la notion d’isolation thermique. Pour l’illustrer, on enveloppera des glaçons dans divers matériaux : écharpe de laine, feuilles d’aluminium, feuilles de plastique… et on mesurera le temps que mettent les glaçons pour fondre. Ce temps sera nettement plus grand dans le cas de la laine (conductibilité thermique faible, en raison de la présence d’air emprisonné entre les fibres) que dans le cas de l’aluminium (conductibilité élevée). On soulignera que la conduction joue «dans les deux sens»: ainsi, la laine utilisée l’hiver pour se protéger du froid, sert aussi aux Touaregs du Sahara à se protéger de la chaleur; ainsi, l’isolation thermique des maisons est utile l’hiver dans un sens, et l’été dans l’autre.

La conduction électrique

C’est un fait d’expérience que l’électricité «passe» dans un métal ou dans un alliage, soumis à la « tension » (en volts) d’une pile ou d’une « prise » électrique, mais pas, par exemple, dans le bois. On dit que les métaux sont «conducteurs» et que les autres matériaux sont «isolants». Ces derniers comprennent de nombreuses substances, naturelles ou synthétiques, qui servent en particulier à isoler les circuits électriques ou les outils permettant d’y accéder en toute sécurité (bakélite, céramiques, porcelaine…).

La conductivité électrique
Comme dans le cas de la conduction thermique, les conducteurs se distinguent les uns des autres par la capacité plus ou moins grande qu’ils ont de laisser circuler le courant électrique : c’est la conductivité électrique dont l’inverse est la résistivité électrique. Il est remarquable que plus un métal est bon conducteur de l’électricité (conductivité électrique élevée), plus il est bon conducteur de la chaleur. Ainsi l’argent est, de tous les métaux, à la fois le meilleur conducteur de l’électricité et de la chaleur. à l’inverse, l’acier inox est un assez mauvais conducteur de l’électricité, mais aussi de la chaleur. Cette propriété est décrite par ce que l’on appelle la « loi de Wiedemann et Franz ».
Un fil conducteur parcouru par un courant électrique est le siège d’un dégagement de chaleur («effet Joule»). Ce dégagement de chaleur est d’autant plus grand, pour une tension donnée, que la conductivité électrique est plus grande.

On réalisera un circuit électrique (pile de 4,5 V, fils, lampe) que l’on interrompra en un endroit où il est possible d’intercaler divers matériaux. Les enfants testeront plusieurs d’entre eux (acier, aluminium, or, bois, plastique…) puis les classeront en deux catégories: conducteurs et isolants.

Le magnétisme

Un courant électrique passant dans un fil modifie l’espace autour de ce fil : il y crée un «champ magnétique», phénomène invisible mais très réel. Lorsque les matériaux sont placés dans un champ magnétique, ils modifient souvent ce dernier. Ils tendent parfois à l’amplifier fortement. On dit dans ce cas qu’ils sont « ferromagnétiques », en raison du fait que le fer présente cette propriété. Parfois aussi, ayant été exposés à un champ magnétique, ces matériaux en conservent la mémoire, comme s’ils le «piégeaient» en eux-mêmes. Ils ont alors la capacité de créer, dans leur voisinage, un champ magnétique qui leur est propre, indépendant du courant électrique initial. Ce sont là des aimants permanents. Le lien entre courants électriques et magnétisme ouvre ce grand domaine de la physique qu’est l’électromagnétisme, où se sont illustrés, entre autres, Ampère et Maxwell.

On présentera aux enfants des petits aimants de papeterie et on leur fera découvrir les forces attractives ou répulsives qui s’exercent entre eux. Ils pourront trouver là une belle illustration de la notion de force et notamment la preuve que des forces peuvent s’exercer d’un corps à un autre, à distance – c’est le cas des forces de gravitation universelle – et non nécessairement au contact.

Il existe, sur Terre, un champ magnétique terrestre dont l’origine est due à des courants électriques qui circulent à l’intérieur du globe. Une aiguille aimantée, en matériau ferromagnétique, est soumise de la part de ce champ à une force qui – si l’aiguille est libre de tourner librement – la dirige approximativement vers le nord géographique : c’est le principe de la boussole.

On montrera des boussoles aux enfants et on leur fera approcher un aimant de l’aiguille. La rotation de celle-ci illustrera à nouveau la notion de «force à distance». Ils observeront que cette force diminue lorsqu’on éloigne l’aimant de l’aiguille.